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- 둘 다 0.03광년 떨어져 있고 서로를 공전하는 데 2년 걸려
- 1만 년 후에 충돌 가능, 장파장 중력파 발생 시킬 것

죽음의 춤을 추는 중력 거인
천문학자들은 초 거대 질량 블랙홀의 가장 가까운 쌍을 발견했다.

충돌 직전:
먼 은하에서 천문학자들은 가장 가까운 초 거대 질량 블랙홀 쌍을 발견했다. 둘 다 0.03광년 떨어져 있고 서로를 공전하는 데 2년이 걸린다. 이는 각각 무게가 수억 태양 질량인 이 두 블랙홀이 단 1만 년 만에 서로 충돌할 수 있음을 의미할 수 있다고 연구원들은 보고했다. 이 사건은 특히 장파장 중력파를 일으킬 것이라고 예측했다. 

▲ 두 개의 초 거대질량 블랙홀이 퀘이사 PKS 2131-021의 중심부에 가깝게 놓여 있다. © Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

은하가 합쳐지면 중심에 있는 초 거대 질량 블랙홀도 가까워진다. 엄청난 중력에 이끌려 서로 공전하기 시작하며 점점 가까워진다. 이러한 쌍 또는 심지어 3개의 초 거대 질량 블랙홀은 이미 여러 은하에서 천문학자들에 의해 발견됐다. 그러한 블랙홀의 활성 쌍을 각각 가지고 있는 퀘이사도 관찰되었다.

신비한 변동

캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 산드라 오닐(Sandra O'Neill)이 이끄는 천문학자들은 현재까지 가장 가까운 중력 거인 쌍을 발견했다. 약 90억 광년 떨어진 퀘이사 PKS 2131-021의 이상한 행동이 중력 거인 쌍을 자극한 것이다.

 

2008년 이후 다양한 전파 망원경으로 관찰한 것처럼 이 은하 중심의 강렬한 복사는 주기적으로 변동한다. 퀘이사의 중심에 있는 활성 블랙홀에서 방출되는 묶인 복사 제트는 지구를 직접 겨냥하기도 한다. 따라서 이것은 블레이저다.

특이한 점은 이 물체의 주기적인 변동이 다른 퀘이사에서 관찰되는 것처럼 불규칙하지 않고 규칙적인 사인 곡선을 따르는 것처럼 보인다는 것이다. 방사선의 전파 강도는 약 2년 간격으로 증가 및 감소한다. 왜? 이것은 단지 지나가는 무작위 규칙일까, 아니면 더 많은 것이 숨겨져 있을까? 현상의 근원을 파악하기 위해 O'Neill과 그녀의 팀은 전파 망원경의 아카이브 데이터에서 이 퀘이사에 대한 더 오래된 관측을 검색하여 원하는 것을 찾았다.

시간에 따르는 규칙적인 사인파

보관 데이터에 따르면 이 퀘이사는 적어도 45년 동안 시계처럼 규칙적으로 똑딱거리고 있었다. "1975년과 1983년 사이에 Haystack 천문대가 취한 데이터는 동일한 주기를 보여주고 있으며, 98% 일치하고 위상 일치율은 90%이다"고 천문학자들은 보고한다. 미시간 대학의 전파천문대도 1982년 이 규칙적인 펄스를 포착했다.

O'Neill은 "최근 측정에서 감지된 광 곡선의 피크와 밸리가 1975년과 1983년 사이의 값과 일치한다는 것을 보았을 때 우리는 특별한 일이 일어나고 있다는 것을 알았다"고 말했다. 퀘이사의 빛 변동은 사인 곡선과 거의 정확히 일치했다. 

▲ 퀘이사 PKS 2131-021의 광도 곡선은 사인 곡선으로 변동한다. © Tony Readhead / caltech

중앙에 두 개의 블랙홀
이러한 사인파 형태 변동의 원인은 무엇일까? 천문학자들이 데이터와 모델을 사용해 결정했듯이 퀘이사의 "똑딱거리는" 현상은 중심에 있는 활성 블랙홀의 규칙적인 움직임 때문임이 틀림없다. 그러나 이것은 PKS 2131-021의 중심에 서로 밀접하게 공전하는 하나가 아닌 두 개의 블랙홀이 있음을 시사한다. 그들의 주기적인 궤도는 또한 방사선의 시작점이 약간이지만 규칙적으로 변동하도록 한다.

"따라서 주기성은 슈퍼 질량 블랙홀 쌍의 궤도 운동으로 인한 것"이라며 "확실히 증명할 수는 없지만 가장 가능성이 높은 시나리오라고 생각한다"고 O'Neill과 그녀의 동료들은 보고했다. 그들의 계산에 따르면 이 중력 거인 각각의 무게는 수억 태양 질량이다.

1만 년 만에 충돌?

그러나 결론은 이 퀘이사에서 두 개의 초거대질량 블랙홀이 서로를 공전할 때 현재까지 알려진 중력 거성의 다른 듀오보다 더 가깝다는 것이다. 공전 주기가 2년에 불과하기 때문에 두 물체는 모두 2,000AU(천문 단위) 이내로 접근해야 하기 때문이다. 이는 0.03광년에 해당하므로 태양과 가장 가까운 이웃 별인 프록시마 센타우리 사이의 거리의 100분의 1도 되지 않는다.

따라서 PKS 2131-021에는 지금까지 관찰된 중심 블랙홀 중 가장 가까운 쌍이 포함되어 있다. 그들은 이미 죽음의 나선 춤을 추면서 서로 너무 가까워서 천문학적 기준에 따르면 합병이 거의 임박했다. 천문학자들이 모델을 사용하여 결정한 것처럼 약 1만 년 후에 두 중력 거인이 충돌할 수 있다.

시공간의 떨림

또한 흥미로운 사실은 두 중력 거인이 시공간의 진동을 일으킬 만큼 충분히 가깝다는 것이다. 이에 따르면 두 블랙홀의 상호작용은 장파장 중력파 형태의 에너지를 방출해야 한다. 그러나 이러한 파동의 주파수는 LIGO 및 Virgo 관측소의 중력파 탐지기로 탐지하기에는 너무 낮다.

우주 관측소 또는 펄서 관측에 기반한 미래의 탐지 방법은 이러한 병합의 장파 중력파를 거대한 규모로 포착하는 데 적합할 수 있다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2022; doi: 10.3847/2041-8213/ac504b)
출처: 캘리포니아 공과대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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